Ist es falsch zu sagen, dass ein Elektron eine Welle sein kann?

Was ist eine Welle? Von Schall- und Wasserwellen kommen wir zu einer Assoziation mit Sinus- und Cosinus-Variationsverhalten. Wellengleichungen sind Differentialgleichungen, deren Elementarlösungen sinusförmig sind.

Was bei Wasserwellen und Schallwellen und sogar bei elektromagnetischen Wellen "schwingt", dh eine sinusförmige Variation mit Zeit und Raum hat, ist die Energie der Welle, dargestellt durch ihre Amplitude.

Wenn die Dimensionen sehr klein werden, kompatibel mit h, der Planck-Konstante, können die einzelnen "Teilchen" Elektronen usw. manchmal wie klassische Billardkugeln beschrieben werden, und gleichzeitig weisen sie eine Zufälligkeit auf, die gehäuft Interferenzen und andere Welleneigenschaften aufweist .

Dieses Einzelelektronen- Doppelspalt -Experiment zeigt beide Effekte. Die einzelnen Elektronen hinterlassen einen zufällig erscheinenden Punkt auf dem Schirm. Die Akkumulation ergibt eine Wahrscheinlichkeitsverteilung mit sinusförmigen Schwankungen.

Man kann nur eine Wahrscheinlichkeit dafür angeben, dass das Elektron an (x,y) des Schirms erscheint, die von der quantenmechanischen Lösung des Randwertproblems „Elektronenstreuung an zwei Spalten“ abhängt.

Es ist also kein klassisches Teilchenverhalten, denn obwohl die Energie von dem einzelnen Elektron getragen wird, wird sein (x,y) durch eine Wahrscheinlichkeitsverteilung kontrolliert; und es ist nicht die klassische Welle, dh ein einzelnes Elektron, das seine Masse über das gesamte Interferenzmuster des Bildschirms "schwenkt". Jedes Elektron ist eine quantenmechanische Einheit.

Elektronen sind weder Teilchen noch Wellen – sie sind Elektronen. Wir sagen, sie verhalten sich wie Teilchen oder Wellen, weil wir mit makroskopischen Objekten mit diesen Eigenschaften vertraut sind und ihnen eine Art „Gefühl“ dafür vermitteln wollen, was sie sind, und zwar in Begriffen, die wir leicht verstehen können. Wir sind diejenigen, die das Experiment auswählen, das Aspekte ihres Verhaltens zeigt. Sie wechseln nicht von Teilchen zu Welle und wieder zurück. Unsere Experimente ändern sich.

Ja. Nein! Beide! Weder?

Das Elektron ist eine Anregung des QED -Quantenfeldes , was mit der klassischen Vorstellung von entweder Feldern oder Teilchen nicht ganz vereinbar ist. Alles, was Sie tun können, ist, Analogien zu beiden zu ziehen. Beide Analogien sind manchmal einfach falsch, da sie ein anderes Verhalten suggerieren als das, was Elektronen tatsächlich in Experimenten tun. Sie sagen jedoch auch ein Verhalten voraus, das mit dem Experiment übereinstimmt. Und am Ende geht es in der Physik nur darum: Modelle/Analogien zu finden, die es Ihnen ermöglichen, das Ergebnis einiger Experimente vorherzusagen.

Alle diese Modelle sind in gewisser Weise falsch , aber das bedeutet nicht, dass Sie sie niemals verwenden sollten: Seien Sie sich nur bewusst, dass es Grenzen gibt, jenseits derer Sie Unsinn bekommen. Es ist eindeutig nützlich, sich das Elektron als Teilchen vorzustellen, wenn Sie eine Kathodenstrahlröhre entwerfen. Es ist nicht wirklich sinnvoll, es sich als Teilchen vorzustellen, wenn man versucht, die Spektren von Atomen zu verstehen ^† ... OTOH, eine Wellenbeschreibung funktioniert hier ganz gut!

Es ist jedoch ein vernünftiger Standpunkt zu sagen, dass das Elektron niemals eine Welle sein wird , sondern nur seine Wahrscheinlichkeit. Oder vielleicht besser: ^{(eine bestimmte Art von -)} Ladung ist eine Welle , ist aber zu etwas Teilchenartigem namens Elektronen quantisiert.

Mir gefällt der Ansatz von Dirk Bruere: Ein Elektron ist ein Elektron, Punkt.

^† _{Auch hier gibt es ein falsches, aber nützliches Modell .}

In der Mikrowelt haben Teilchen wie Elektronen eine doppelte Natur. In einigen Experimenten verhält es sich wie Wellen, wie z. B. die Beugung von Elektronen durch einen einzelnen Spalt, aber in anderen Experimenten wie Compton-Streuung oder Photoelektrizität verhält es sich wie ein Teilchen. Bei wellenförmiger Darstellung von Elektronen durch eine quantenmechanische Wellenfunktion lässt sich die Beugung und Interferenz von Elektronen erklären.

Die Regeln , wie sich Elektronen bewegen, sind analog zu Wellen, da ein interner Zustand zyklisch ist und verschiedene mögliche Wege summiert werden, was ein Interferenzmuster zeigt.

Das ist nicht dasselbe wie zu sagen, dass Elektronen selbst Wellen sind. Die Formeln für Wellen werden verwendet, um zu erklären, wo ein Elektron zu finden ist.

Das Dual-Split-Experiment zeigte, dass E-Cans wellenartige Eigenschaften aufweisen. Wenn Elektronen von einer Kanone auf eine Barriere mit zwei Schlitzen darauf abgefeuert wurden, zeigten die Elektronen ein wellenartiges Muster auf dem EM-Sensor hinter der Barriere, das drei unterschiedliche Bänder zeigte. Es trat Brechung auf, und daher verhielten sich Elektronen wie Wellen.

Das Elektron kann sein, was immer wir wollen, wir erstellen die mathematischen Modelle, in denen das Elektron ein Teil ist, also können wir die Regeln diktieren, unter denen sich die Elektronen verhalten;

Quantenmechanik ist nur ein mathematisches Modell, das mathematische Objekte wie "das Elektron" enthält, die wir verwenden, um Vorhersagen über die physikalische Welt zu treffen. Genauso wie wir Zahlen und Felder verwenden, sind abstrakte Objekte wie „Elektronen“ rein mathematischer Natur, und wir untersuchen nicht unbedingt, ob sie „existieren“ oder nicht, weil „Existenz“ ein rein philosophisches Thema ist, das außerhalb des Geltungsbereichs von liegt die Praxis der Physik.

Auf diese Weise können wir von Objekten träumen, die alle möglichen "seltsamen" Eigenschaften aufweisen können, wie sie Teilchen in der Quantenmechanik haben, die im philosophischen Sinne nicht unbedingt "existieren", aber so lange wie unsere Modelle funktionieren, wir können immer mehr Abstraktionsschichten hinzufügen, weil es unser Modell ist, und wir können es so machen, wie wir es wollen! Solange es genaue Vorhersagen über die reale Welt machen kann;

Wenn wir sagen, dass die Schwerkraft eine Kraft ist, meinen wir nicht unbedingt, dass eine Art „Seil“ an der Erde und dem Sonnensystem befestigt ist, oder wenn wir sagen, dass die Schwerkraft die Krümmung des Gewebes der Raumzeit ist, tun wir das Das bedeutet nicht unbedingt, dass es ein physisches Gewebe gibt, das sich biegt, sodass Objekte hineinfallen und das erzeugen können, was wir als Schwerkraft sehen. Es ist alles metaphorischer und mathematischer Natur, nur eine Möglichkeit für uns, Operationen zu beschreiben, die genaue Vorhersagen liefern, auf eine dennoch konsistente und strenge mathematische Weise.

In diesem Rahmen ist das Elektron – wir haben es geschafft – eine Wahrscheinlichkeitswolke zu sein , die sich ÜBERALL im Universum erstreckt. Es besteht eine geringe Wahrscheinlichkeit, dass wir das Elektron als sehr weit entfernt messen können (wenn wir es messen und seine Wellenfunktion zusammenbricht), aber diese Wahrscheinlichkeit ist extrem gering, so dass es nie passiert ...

Das Elektron IST also seine Wellenfunktion, und das ist überhaupt nicht seltsam, denn das Elektron ist ein abstraktes mathematisches Objekt, also kann es sich verhalten, wie es will! Auch kann das Elektron zum Beispiel gleichzeitig ein Teilchen und eine Welle sein, denn wen interessiert das? Es ist unser Modell und wir können das Elektron so haben, wie wir es wollen ...

Wird eine solche Theorie genaue Vorhersagen über das Universum treffen? Wenn nein, dann verwenden wir sie nicht, wenn ja, dann haben wir zumindest bewiesen, dass unsere Theorie zumindest nützlich ist .

Das einzige, was wir über die Natur der Elektronen sagen können, ist, dass sie im Rahmen ihrer Modelle hilfreiche mathematische Objekte sind, die sehr hilfreiche Theorien wie die Quantenmechanik darstellen ...

Zu beantworten, „warum“ diese Theorien so hilfreich sind, liegt außerhalb des Bereichs der Physik.